次の5つの定積分を計算します。 (1) $\int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}$ (2) $\int_{0}^{1} \sqrt{2x-x^2} dx$ (3) $\int_{-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}} \frac{dx}{x^2+9}$ (4) $\int_{0}^{1} \frac{dx}{(1+x^2)^2}$ (5) $\int_{0}^{2} \frac{dx}{\sqrt{x^2+4}}$

解析学定積分積分置換積分三角関数双曲線関数
2025/6/26

1. 問題の内容

次の5つの定積分を計算します。
(1) 1212dx1x2\int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}
(2) 012xx2dx\int_{0}^{1} \sqrt{2x-x^2} dx
(3) 33dxx2+9\int_{-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}} \frac{dx}{x^2+9}
(4) 01dx(1+x2)2\int_{0}^{1} \frac{dx}{(1+x^2)^2}
(5) 02dxx2+4\int_{0}^{2} \frac{dx}{\sqrt{x^2+4}}

2. 解き方の手順

(1)
dx1x2=arcsin(x)+C\int \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \arcsin(x) + C
したがって、
1212dx1x2=arcsin(12)arcsin(12)=π6(π6)=π3\int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \arcsin(\frac{1}{2}) - \arcsin(-\frac{1}{2}) = \frac{\pi}{6} - (-\frac{\pi}{6}) = \frac{\pi}{3}
(2)
012xx2dx=011(x1)2dx\int_{0}^{1} \sqrt{2x-x^2} dx = \int_{0}^{1} \sqrt{1-(x-1)^2} dx
x1=sinθx-1 = \sin\theta とおくと、dx=cosθdθdx = \cos\theta d\theta
x=0x=0のとき、sinθ=1\sin\theta=-1なので、θ=π2\theta = -\frac{\pi}{2}
x=1x=1のとき、sinθ=0\sin\theta=0なので、θ=0\theta = 0
π201sin2θcosθdθ=π20cos2θdθ=π201+cos(2θ)2dθ=[θ2+sin(2θ)4]π20=(0+0)(π4+0)=π4\int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} \sqrt{1-\sin^2\theta} \cos\theta d\theta = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} \cos^2\theta d\theta = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} \frac{1+\cos(2\theta)}{2} d\theta = [\frac{\theta}{2} + \frac{\sin(2\theta)}{4}]_{-\frac{\pi}{2}}^{0} = (0+0) - (-\frac{\pi}{4}+0) = \frac{\pi}{4}
(3)
dxx2+9=13arctan(x3)+C\int \frac{dx}{x^2+9} = \frac{1}{3}\arctan(\frac{x}{3}) + C
したがって、
33dxx2+9=13arctan(33)13arctan(33)=13π613(π6)=π18+π18=π9\int_{-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}} \frac{dx}{x^2+9} = \frac{1}{3}\arctan(\frac{\sqrt{3}}{3}) - \frac{1}{3}\arctan(\frac{-\sqrt{3}}{3}) = \frac{1}{3}\frac{\pi}{6} - \frac{1}{3}(-\frac{\pi}{6}) = \frac{\pi}{18} + \frac{\pi}{18} = \frac{\pi}{9}
(4)
I=01dx(1+x2)2I = \int_{0}^{1} \frac{dx}{(1+x^2)^2}
x=tanθx = \tan\thetaとおくと、dx=sec2θdθdx = \sec^2\theta d\theta
x=0x=0のとき、θ=0\theta=0
x=1x=1のとき、θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
0π4sec2θdθ(1+tan2θ)2=0π4sec2θdθ(sec2θ)2=0π41sec2θdθ=0π4cos2θdθ=0π41+cos(2θ)2dθ=[θ2+sin(2θ)4]0π4=(π8+sin(π2)4)(0+0)=π8+14\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{\sec^2\theta d\theta}{(1+\tan^2\theta)^2} = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{\sec^2\theta d\theta}{(\sec^2\theta)^2} = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\sec^2\theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^2\theta d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1+\cos(2\theta)}{2} d\theta = [\frac{\theta}{2} + \frac{\sin(2\theta)}{4}]_{0}^{\frac{\pi}{4}} = (\frac{\pi}{8} + \frac{\sin(\frac{\pi}{2})}{4}) - (0+0) = \frac{\pi}{8} + \frac{1}{4}
(5)
02dxx2+4\int_{0}^{2} \frac{dx}{\sqrt{x^2+4}}
x=2sinhtx = 2\sinh t とおくと、dx=2coshtdtdx = 2\cosh t dt
x=0x=0のとき、t=0t=0
x=2x=2のとき、2=2sinht2 = 2\sinh tなので、sinht=1\sinh t = 1より、t=sinh11=ln(1+2)t=\sinh^{-1} 1 = \ln(1+\sqrt{2})
0ln(1+2)2cosht4sinh2t+4dt=0ln(1+2)2cosht2coshtdt=0ln(1+2)dt=[t]0ln(1+2)=ln(1+2)\int_{0}^{\ln(1+\sqrt{2})} \frac{2\cosh t}{\sqrt{4\sinh^2 t + 4}} dt = \int_{0}^{\ln(1+\sqrt{2})} \frac{2\cosh t}{2\cosh t} dt = \int_{0}^{\ln(1+\sqrt{2})} dt = [t]_{0}^{\ln(1+\sqrt{2})} = \ln(1+\sqrt{2})

3. 最終的な答え

(1) π3\frac{\pi}{3}
(2) π4\frac{\pi}{4}
(3) π9\frac{\pi}{9}
(4) π8+14\frac{\pi}{8} + \frac{1}{4}
(5) ln(1+2)\ln(1+\sqrt{2})

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